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TERMODINÁMICA
Termodinámica.- Parte de la física que estudia las relaciones existentes entre los fenómenos dinámicos
y los caloríficos.
Trata de la transformación de la energía mecánica en calor y del calor en trabajo. También describe
y relaciona las propiedades
físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía.
La termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que las propiedades del sistema
—típicamente
la presión, la temperatura, el volumen y la masa— son constantes.
Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia
que se
puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico
en
equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen
como
variables termodinámicas. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad,
el calor
específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción
más completa
de un sistema y de su relación con el entorno.
Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico.
Las
leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan
la naturaleza
y los límites de todos los procesos termodinámicos.
Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería,
y son:
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| Principios de la Termodinámica | | |
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PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA
Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad puede medirse,
y se le
puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica,
que afirma
que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar
en equilibrio entre
sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.
Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada temperatura, el sistema acabará
alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste.
(El llamado
entorno infinito es una abstracción matemática denominada depósito térmico; en realidad basta
con que el entorno sea grande
en relación con el sistema estudiado).
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PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
La cantidad de calor entregado a un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema más la variación de
su energía interna.
Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación
de las temperaturas de
ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba
presente en
mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura.
El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse
ni destruirse —dejando
a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía— la cantidad de energía
transferida a un
sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser
igual al aumento
de la energía interna del sistema. A veces, el primer principio se enuncia como la imposibilidad de la existencia
de un móvil
perpetuo de primera especie.
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
El segundo dice que solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a
uno que tiene menor temperatura. Al respecto, siempre se observa que el calor pasa espontáneamente de los cuerpos
calientes
a los fríos hasta quedar a la misma temperatura.
La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando
un
sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado
el equilibrio.
La naturaleza parece pues ‘preferir’ el desorden y el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que,
si no
se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región
de temperatura más
alta.
El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve
la energía
y cumplan así el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina
“móvil perpetuo
de segunda especie”, ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar
trabajo en un entorno caliente
sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmación que descarta la existencia de un móvil
perpetuo
de segunda especie.
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TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento
que conste
de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él.
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CICLOS TERMODINÁMICOS
Todas las relaciones termodinámicas importantes empleadas en ingeniería se derivan del primer y segundo principios
de la termodinámica.
Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema
a su estado original
después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus
valores originales.
En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables.
Por
tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.
Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría
en trabajo mecánico.
El científico francés del siglo XIX Sadi Carnot, que concibió un ciclo termodinámico que constituye
el ciclo básico de todos
los motores térmicos, demostró que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde
parte del calor suministrado.
El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite
que siempre es menor
del 100%. La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.
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